徐保荣,张金豹,姚李刚,邹天刚,万丽

(1.63966部队,北京 100072;2.中国北方车辆研究所 车辆传动重点实验室,北京 100072;3.32212部队,北京 100093)

0 引言

为保证装甲车辆的环境适应性[1],需要进行大量相关装甲车辆的低温测试,在动力方面如燃料、电池等[2-5]。在动力传递方面,液力机械综合传动装置是现阶段装甲车辆的主要传动形式,其在正常工作温度区间的优良传动性能已经过大量的工程验证。但在低温环境下的起动特性仍不清晰,需要对液力机械综合传动装置的低温阻力矩特性进行规律总结,进而为其与发动机在低温下的特性匹配和优化提供技术支撑,实现装甲车辆的快速起动和任务完成。徐保荣等[6]和王凯等[7]对传动油温分别为17 ℃、30 ℃、50 ℃和100 ℃下的液力机械综合传动装置起动扭矩进行测试,结果表明传动油温的变化和各类油泵的功率消耗是决定综合传动装置起动扭矩大小的关键因素。

经大量数据统计表明,液力机械综合传动装置在正常工作温度时,输入扭矩随着输入转速的升高而升高[8]。为提高传递效率,降低运行阻力矩,目前已针对关键旋转件的阻力矩特性如齿轮的搅油损失[9-10]、轴承的摩擦力矩[11-12]、湿式离合器带排力矩[13-14]等进行了大量研究。低温环境下,影响液力机械综合传动装置阻力矩变化最为显著的因素之一就是油液的物理性质[15-16],因为低温时润滑油可能为非牛顿流体状态。非牛顿流体特性主要体现在剪切应力与剪切速率之间呈现非线性关系,表观黏度是剪切速率的函数。与牛顿流体相比,非牛顿流体具有不同的特性,譬如黏弹性流体的Weissenberg效应[17]。近年非牛顿流体数值模拟取得很大进展,但仍然有很多挑战性的问题存在,例如非牛顿流体的多相流和湍流等[18]。格子玻尔兹曼方法已成为模拟各种物理现象的有力工具,并显示出广泛的发展前景[19-20]。

综上所述,本文首先对液力机械综合传动装置的工作原理及低温工况下的试验测试方案进行说明;随后对其在低温工况下的阻力矩进行分析,得到液力机械综合传动装置阻力矩随温度和转速的变化规律;然后通过基于格子玻尔兹曼方法的XFlow仿真软件实现液力机械综合传动装置内部的流场状态分析;最后通过对润滑油液特性分析和单个旋转件的搅油阻力矩试验,验证了液力机械综合传动装置阻力矩随温度和转速变化规律的正确性。

1 液力机械综合传动装置工作原理

综合传动装置是机电液一体化的复杂系统,如图1[21]所示,由前传动、液力变矩器、行星变速机构、左/右汇流排、液压操纵系统等20个部件组成。其工作原理如下：动力由前传动输入,一路功率流经液力变矩器,从涡轮轴传至行星变速机构,再经主轴传至两侧汇流排进行动力输出;另一路功率流(转向流)由前传动带动联体泵马达,再由泵马达传至两侧汇流排中的太阳轮。直驶时,与汇流排中太阳轮相连的零轴制动,动力经液力减速器至两侧汇流排从而输出驱动力。

2 综合传动低温测试

2.1 低温起动测试方案

由于目前并没有专门针对液力机械综合传动装置在低温工况下进行起动性能测试的试验标准,因此只能参考其他标准进行探索性的试验。根据兵器行业标准WJ 20469—2018装甲车辆台架试验方法 低温环境试验室 装甲车辆低温起动性能试验以及国家军用标准GJB 5210—2003装甲车辆综合传动装置台架试验方法进行试验方案设计,如表1所示。该方案为空载试验,采用5W-40型号润滑油,预设温度为油底壳温度,输入转速设置分别设置为 200 r/min、500 r/min和800 r/min,其中200 r/min为发动机能够起动的最低转速,800 r/min为液力机械综合传动装置的怠速,500 r/min为上述二者转速的中间转速,用以保证试验数据正确趋势的表达。

表1 低温起动方案设计Table 1 Cold starting scheme design

2.2 低温起动测试数据

低温实验室及测试的综合传动装置如图2所示。根据表1设计的方案进行试验测试,记录的过程数据格式如图3所示,其中稳态阻力矩取其均值进行记录,结果如表1所示。

图2 综合传动装置低温实验室Fig.2 Low Temperature Laboratory for the HMCTD

图3 综合传动装置低温起动数据记录Fig.3 Coldstarting data of the HMCTD

3 液力机械综合传动低温起动特性分析

3.1 低温起动特性分析

为便于观察表1中测试结果的规律性,绘制不同温度下转速-扭矩的关系图,如图4所示。从图4 中可以看到：当温度低于-20 ℃时,随着转速的升高,稳态阻力矩呈现非线性快速下降;当温度高于 -20 ℃ 时,随着转速的升高,稳态阻力矩呈现线性缓慢上升;在-20 ℃时,稳态阻力矩则基本不随转速变化;不同温度点随转速升高,稳态阻力矩波动范围都会变大。考虑测试的不确定性,据上述观察可以推断应该存在一处温度区间,该温度区间上下的综合传动装置稳态运行阻力矩随转速具有不同的变化规律。该规律的探索有助于装甲车辆在低温环境下的快速起动控制策略的制定,提升装甲车辆的机动性。

图4 转速-温度-转矩关系图Fig.4 Speed-Temperature-Torque relationship

3.2 液力机械综合传动装置流场分析

由于润滑油液特性受低温环境的影响最为显著,首先利用Xflow软件对综合传动装置内部进行流场仿真。Xflow软件基于格子波尔兹曼-大涡模拟无网格技术求解流场,通过粒子的方法对计算空间进行离散,使其解决复杂几何模型问题和移动边界问题变得更为便捷。如图5(a)～图5(f)所示,为综合传动装置起动过程不同时刻的润滑油液分布情况。该仿真算例在90 ℃进行,初始润滑油液面高度与主轴等高,传动装置外部输入转速为2 200 r/min,设置6挡。图6为-43 ℃时,综合传动装置外部输入转速为800 r/min,空载工况下内部的稳态流场分布。从图5和图6中可以看出,润滑油液主要分布在液力变矩器等大型旋转件附近,且低温条件下润滑油液分布范围变小,飞溅程度降低。鉴于综合传动流场的复杂性,为验证图4中所示的综合传动装置低温起动阻力矩规律,需深入探索不同温度下油液特性及其对阻力矩的影响。

图5 90 ℃、2 200 r/min时综合传动装置的起动过程流场分析Fig.5 Flow field analysis of the HMCTD during the starting process at 90 ℃ and 2 200 r/min

图6 -43 ℃、800 r/min时综合传动装置的稳态流场Fig.6 Stable flow field of the HMCTD at -43 ℃ and 800 r/min

4 低温起动机理分析

为分析上述液力机械综合传动装置的阻力矩机理,分别对润滑油液特性和不同温度下单个旋转件的运行阻力矩随转速的变化趋势进行测试。

4.1 润滑油液特性分析

对于牛顿流体,根据牛顿内摩擦定律有：

(1)

对于非牛顿流体,则有

(2)

式中：n为幂律流变指数,为无量纲量,表征非牛顿流体的流动特性偏离牛顿流体的程度。

采用国际标准ISO 3219-2—2021,通过奥地利Anton Paar公司产MCR302 流变仪双平板测试系统对5W-40油液进行测试,如图7所示。在不同温度下,油液黏度随剪切速率的变化规律如图8所示,可以初步判断5W-40油液在低于-20 ℃后逐渐呈现非牛顿流体特性,即为假塑性流体。5W-40润滑油的运动黏度和密度随温度的变化趋势如图9和图10 所示。由图9和图10可以看出：润滑油运动黏度随温度降低呈指数趋势急剧增加,导致流动性变差,易和机械旋转件发生黏附;润滑油密度随温度降低呈缓慢增加趋势,质量的增大进一步导致机械旋转件搅油扭矩的增加。

图7 5W-40润滑油液特性测试Fig.7 Testing of 5W-40 lubricating oil

图8 5W-40润滑油在不同温度下的特性对比Fig.8 Comparison of the characteristics of the 5W-40 lubricating oil at different temperatures

图9 5W-40润滑油运动黏度随温度变化趋势Fig.9 Kinematic viscosity of the 5W-40 lubricating oil with temperature

图10 5W-40润滑油密度随温度变化趋势Fig.10 Density of the 5W-40 lubricating oil with temperature

4.2 旋转件低温运行阻力矩特性

旋转件低温测试试验台如图11所示,旋转件顺时针旋转,阻力矩测试结果如图12所示。从图12中可以看出：在温度区间[-50 ℃,-10 ℃]和转速区间[350 r/min,800 r/min]内,旋转件阻力矩随转速的升高呈现升高-降低-升高的规律,且随着温度的降低,这种规律越来越明显;而在0 ℃和23 ℃阻力矩则随转速呈现缓慢单调递增的规律。

图11 旋转件低温阻力矩测试装置Fig.11 Testing device for the resistance torque of the rotating part at low temperatures

图12 旋转件随温度的阻力矩特性Fig.12 Resistance torque characteristics of the rotating part at low temperatures

如图13～图15所示,设置相同的液面高度,对23 ℃、-20 ℃和-40 ℃下不同转速的旋转件流场进行分析对比[22],得出如下结论：

图13 23 ℃液面分布(运动黏度63.5 mm2/s)Fig.13 Oil distribution at 23 ℃ with kinematic viscosity at 63.5 mm2/s

图14 -20 ℃液面分布(运动黏度286.2 mm2/s)Fig.14 Oil distribution at -20 ℃ with kinematic viscosity at 286.2 mm2/s

图15 -40 ℃液面分布(运动黏度704.3 mm2/s)Fig.15 Oil distribution at -40 ℃ with kinematic viscosityat 704.3 mm2/s

1)在不同温度下转速为100 r/min时,23 ℃时的油液由于黏度较低,重力影响明显大于惯性力和附着力,仅少数流体完成整周的流动。随着温度的降低,润滑油液黏度逐渐增加,更多的油液黏附在旋转件上,导致运转力矩增加。

2)在23 ℃时,随着转速的升高,旋转件搅动的油液逐渐增多,开始形成飞溅。在-40 ℃时,由于润滑油的附着力远高于重力和惯性力,导致润滑油液缠绕在旋转件上。-20 ℃时的流场,属于牛顿流体向非牛顿流体的过渡阶段,二者现象皆有。

通过不同温度下液力机械综合传动装置和单个旋转件的阻力矩随转速的规律分析,可以看出润滑油液随温度所表现出来的物理特性是影响综合传动装置内部旋转件运行阻力矩的主要因素,后续可以借助该规律进行装甲车辆的低温起动控制以及润滑油液的特性设计。

5 结论

本文通过对液力机械综合传动装置在低温环境下的阻力矩测试,得到主要结论如下：

1)在[-40 ℃,-20 ℃) 温度区间内,综合传动装置的阻力矩随转速呈现非线性快速降低的趋势;在(-20 ℃,20 ℃]温度区间内,则呈现线性缓慢递增的规律,而在-20 ℃时阻力矩随转速基本没有变化。

2)通过90 ℃、输入转速2 200 r/min工况下综合传动装置起动至稳定状态的内部流场仿真,展示了润滑油液分布的发展过程。与-43 ℃、输入转速800 r/min工况下稳定流场分布进行对比,可以看到低温工况下润滑油液分布范围变小,飞溅程度降低。

3)5W-40 润滑油液在低于-10 ℃时即开始逐渐呈现非牛顿流体特性,综合传动装置和旋转件所呈现的阻力矩与温度和转速的规律基本符合。

4)对旋转件在不同温度和转速下的阻力矩进行测试,发现在温度区间[-50 ℃,-10 ℃]和转速区间[350 r/min,800 r/min]内旋转件阻力矩随转速的升高呈现升高-降低-升高的规律;而在0 ℃和 23 ℃ 温度下,旋转件阻力矩随转速的升高仅呈现单调升高的规律。

上述规律的发现,在低温工作环境下能够为发动机和综合传动装置的匹配优化提供技术支撑,实现装甲车辆的快速起动和任务完成。